中红外光纤集成器件的关键技术研究及其应用

All-fiber structure, ultrashort pulse and high-power output are the main research goals of mid-infrared lasers, and high-quality fiber devices are integral to all-fiber mid-infrared lasers. This project is planned to develop an integrated mid-infrared mode-locking fiber device including coupler, wavelength division multiplexer (WDM), gain fiber and saturable absorber (SA) based on the applicant’s expertise in SA-film, integrated devices and fiber lasers. By mixing a variety of novel two-dimensional mid-infrared materials as SA-film, we synthesize a mid-infrared SA-film with the property of parameters adjustable and complementary advantages, which solves the SA-film’s key issue of poor stability. We obtain the mathematical model of mid-infrared all-fiber laser based on the generalized nonlinear Schrodinger equation. The mid-infrared all-fiber laser and high quality mid-infrared pulse are achieved due to the proposed integrated device’s advantages of compact structure and easy-matching. The research of this project will provide high-quality devices for mid-infrared all-fiber laser, and achieve mid-infrared all-fiber laser with compact structure and high stability, which exhibits high application and commercial value.

全光纤化、超短脉冲和高功率输出是中红外光纤激光的主要发展方向，高品质的光纤无源器件是实现中红外全光纤激光器的关键。本项目拟基于申请人在薄膜饱和吸收体、光纤集成器件和光纤激光器等方面的研究成果，以新型二维材料作为中红外波段的薄膜饱和吸收体，研制集耦合器、波分复用器、饱和吸收体和增益光纤四种元器件为一体的具有锁模功能的中红外光集成器件；通过将多种二维材料混合，制备优势互补、参数可调的中红外薄膜饱和吸收体，以解决以往薄膜饱和吸收体环境稳定性差的关键问题；基于广义非线性薛定谔方程建立中红外全光纤激光器的数理模型，利用该光集成器件结构紧凑、易于模式匹配等优势，实现中红外全光纤激光器，输出高质量的中红外超短脉冲。本项目的研究将为中红外全光纤激光器提供高品质器件支持，实现结构紧凑、环境稳定性高的中红外全光纤激光器，具有很高的应用价值和商业价值。

中红外波段的激光在民用领域和军用领域均有着广阔的应用前景，在民用领域中红外激光可用于遥感、激光手术、自由空间通信和空气污染控制等方面。在军用领域中红外激光可用于战术导弹尾焰红外辐射模拟、人眼安全激光雷达和激光定向红外干扰等方面。全光纤化、超短脉冲和高功率是激光发展的主要方向，而高品质的光纤无源器件是实现全光纤激光器的关键。当前中红外光纤激光器面临着一些问题：中红外波段的可饱和吸收材料研究不足；中红外波段缺乏成熟可靠的光纤无源器件，导致无法实现全光纤结构的激光器；中红外波段光纤无源器件的多功能集成鲜有研究。本项目基于申请人在薄膜可饱和吸收体、光集成器件和光纤激光器等方面的研究成果，研究了新型二维材料（二碲化钼）作为可饱和吸收体的特性，包括少层二碲化钼薄膜作为透射式可饱和吸收体和倏逝场式的偏振相关型可饱和吸收体，可得二碲化钼材料具有优异的可饱和吸收特性；研制了集耦合器、波分复用器、锁模器和隔离器四种元器件为一体的光集成器件；根据可饱和吸收体的特性，调整锁模器在光集成器件中的位置，灵活调节光集成器件的结构，获得适应不同情况的光集成器件；基于色散管理方法和色散傅里叶变换方法获得超快的时域-频域转换器，研究了以二碲化钼可饱和吸收体为锁模器的光集成器件实现超快激光模式锁定的过程。本项目通过对光集成器件的系统研究提出了集成锁模器的方法，得到稳定可靠的锁模式光集成器件，从而丰富了光纤无源器件的集成方法。本项目的研究为中红外波段光集成器件的实现提供了研究思路和技术路线，为中红外全光纤激光器的实现提供新的器件基础，促进中红外光纤激光器的应用和推广，具有较高的应用价值。